机械锁紧液压式随钻震击器应用分析

李积泰

（西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司，新疆鄯善838200）①

机械锁紧液压式随钻震击器应用分析

李积泰

（西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司，新疆鄯善838200）①

带机械锁紧机构的液压式随钻震击器集液压式与机械式震击器功能于一体，采用液压原理与机械原理，取长补短达到优势互补，提高了工具的一次下井随钻时间和整机寿命。该复合震击器具有防误震、在钻柱中连接位置自由等特点，适用于定向井、大位移水平井、超深井以及欠平衡空气钻井作业等。介绍了机械液压式随钻震击器的结构、工作原理及性能特点。现场应用表明：在使用过程中避免了误震问题，可满足钻井工程的需要。

机械液压式；随钻震击器；技术性能

自20世纪90年代以来，随着石油勘探开发技术的发展，石油设备已引起各国石油界的高度重视。各石油公司依赖科技进步，积极采用先进技术发展新设备，提高了石油设备在适应性、可靠性、品种多样性和系列化、集成化、自动化、智能化等方面的总体水平。

在钻井作业中，卡钻对钻井工作影响很大，危害也很深，如果处理不当，不仅消耗时间长，损失钻井进尺，而且可能使事故恶化，甚至造成油气井报废。震击器是解除卡钻的有效工具［1-2］。因此，在钻井速度和钻井效益越来越受到关注的今天，正确地选择和使用震击器将为钻井作业带来可观的经济效益。

1 发展现状

1.1 国外情况

国外生产震击器的厂家很多，产品规格品种比较齐全，技术水平也很高，这与他们对钻井安全的高度重视密切相关。西方发达国家特别重视石油钻采装备的研发，在技术、制造水平等各方面均居国际领先的地位。国外井下工具主要生产厂家有NOV、Weatherford、Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger、Cougar等。

1.2 国内情况

我国每年因为钻井作业事故导致直接经济损失数亿元，其中很大一部分可以减轻甚至避免。在钻井速度和钻井效益越来越受到关注的今天，正确地认识震击器对钻井作业的重要意义，设计和制造高水平的产品，正确地选择和使用震击器，发挥它们应有的效能，将为钻井工业带来巨大的经济效益。

2 技术分析

2.1 结构组成

机械液压式随钻震击器包括液压延时机构、机械锁紧机构、上下打击机构、上下密封机构、转矩传递机构、上下连接机构6部分，如图1所示。

图1 机械液压式随钻震击器结构

液压延时机构由阀体心轴、下筒体、阀体总成、活塞和下接头组成；机械锁紧机构由弹性机构总成、卡瓦心轴、卡瓦、卡瓦套、上击调节螺母、下击调节螺母、调整套、隔套及衬套组成；上下打击机构由上筒体、背母和卡瓦心轴的台阶面组成；上下密封机构由上密封组件、下密封组件和刮泥圈组成；转矩传递机构由花键心轴、扶正体、花键体、连接体、上筒体、下筒体、中筒体和下接头组成的；上下连接机构由花键心轴和下接头的两端连接螺纹组成［3-5］。

机械锁紧机构释放过程如图2所示。该锁紧机构各部件间摩擦力较小，同其他结构相比，使用寿命大幅提高。上下震击一体，上下震击释放力在井口分别可调且调节操作简易，调值准确稳定。产品性能受高温、腐蚀性介质等工作环境影响小，适用于各种工况下的随钻作业。

液压延时机构由阀体心轴与阀体总成组成，二者通过合适的配合可以有效地保证心轴在机械部分释放后，系统进入液压延时阶段。结合钻井工艺和现场操作的需要，适当地延时时长使得震击器以下钻柱被弹性拉伸，大幅提高了震击和解卡效果。其中，阀体总成由阀体、阀销、阀芯、丝堵等组成，如图3所示。

图2 机械锁紧机构释放过程示意

图3 阀体总成

2.2 工作原理

当需要上击时，上提钻柱使震击器的心轴随之向上运动，弹性机构总成受拉／压产生弹性变形，随着大钩上提力的不断增加，弹性机构总成的变形也随之增大。在弹性机构总成拉伸／压缩达到临界位置时，卡瓦突然完全张开与卡瓦套啮合，当拉力达到锁紧机构释放力的大小时，锁紧装置松开，就进入了液压延时阶段。这时，绞车将被刹死，震击器在预拉力及液压阻力的作用下缓慢拉开。之后，震击器就进入了自由打击状态，卡瓦心轴失去卡瓦的约束在固定行程内快速滑动到极限位置，打击机构发生打击，产生强大的上击力。此时，只需下放钻柱，就可以使震击器复位，以备下次震击或继续钻进。当需要下击时，适当下放钻柱，直到施加到震击器上的压力超过锁紧机构的释放力。这时，锁紧装置将打开，在弹性机构总成拉伸／压缩达到临界位置时，卡瓦突然完全张开与卡瓦套啮合，卡瓦心轴失去卡瓦的约束在固定行程内快速滑动到极限位置，打击机构发生打击，产生强大的下击力，心轴释放后快速运行到闭合位置，产生一个向下的冲击力。然后，适当上提钻柱使震击器复位，这时，可以进行下次震击或者继续钻进［5］。

2.3 技术参数

2.4 技术特点

1） 在起下钻、接单根、触井底或钻进时不会发生误震现象。

2） 在钻台上无需任何安全夹具或特殊操作工艺规程。

3） 在钻具组合（BHA）中的位置比较自由，可以置于受拉、中性点、受压各种位置，是定向井和大位移水平井的理想工具。

4） 线性机械锁紧机构不受转矩影响；是高摩阻、定向井和大位移水平井的理想工具。

5） 操作简单，仅为上下往复运动。

6） 锁紧结构上下击释放力井口可调。

7） 机械锁紧装置在钻井作业中可以起到防止工具磨损的作用，可以大幅提高工具使用寿命。

8） 液压延时震击允许操作者通过改变大钩上提力的大小来控制井下震击力的大小。

9） 全密封、油浴润滑环境有利于减少磨损，提高工具使用寿命。

10） 可以提供分别适用于120℃或150℃井底温度的工具。

3 关键技术

3.1 机械式工作原理的选择

目前，国内外机械式震击器按其锁紧机构的不同可分为摩擦卡瓦式、弹簧预紧卡瓦式、行程控制卡瓦式3类。带机械锁紧机构的液压式随钻震击器选用行程控制式卡瓦锁紧机构。该机构具有如下特点：摩擦副的强力摩擦较其他机构小，且易损件较少，使用寿命较长；整机机构合理，安全可靠，上下击一体，上／下击释放力在井口分别可调，且操作简便易行，调值准确稳定；产品性能受高温、腐蚀性介质等工作环境影响小，适合复杂及高可靠度钻井的需要。

3.2 液压式工作原理的选择

目前，国内外液压式震击器按其结构不同可分为阻尼活塞式、阻尼阀式2种。阻尼活塞式液压延时锁紧机构可以较好地满足常规作业，但其对密封及表面处理技术要求极为苛刻，受多因素制约，此类机构难以突破寿命短的瓶颈。带机械锁紧机构的液压式随钻震击器应用了阻尼阀式液压延时锁紧机构，该机构具有高可靠度、长寿命的特点。

3.3 机械和液压的集成

机械液压式随钻震击器的机械部分采用行程控制的卡瓦式锁紧机构，液压部分采用阀式阻尼延时机构。通过相关尺寸链设计，确保了震击的序列性和液压延时时长的合理性，将二者有机地集成，实现了预期功能。

4 现场应用

下钻时应先开泵循环，再缓慢下放。若在下钻过程中发生遇卡，可启动震击器实施上击解卡。在正常钻进过程中，震击器应处于锁紧位置，在受拉状态下工作［6］。

1） 发生卡钻事故需上击时，按以下步骤进行：①下放钻具直到指重读数小于震击器以上钻具悬重30～50 k N（即压到震击器心轴上的力），震击器回到“锁紧”位置（如已为锁紧状态下井的震击器不进行此步骤）。进行本步骤操作时，可在井口钻杆上划一刻线，下放1个上击行程可确认震击器回到“锁紧”位置；②以拉力G上提钻柱，刹住刹把等待震击器释放。上击力由上提力控制，开始应用较低提拉力，以后逐渐增加，在同一上提力时应多次震击以加强作用效果。最大上提力决不允许超过震击器以上钻柱重力与震击器最大上击释放力之和。再重复上述过程，将产生连续上击。在不同钻头水力压降的情况下，震击器最大上击释放力是不同的，震击器最大上击释放力应按不同钻头水力压降分别确定。G＝震击器上部钻柱重力＋震击器上击释放吨位。

2） 当发生卡钻事故需下击时，按以下步骤进行：①以压力G′下压钻具产生震击，G′＝地面调定的下击力＋泥浆阻力＋摩擦阻力＋指重表误差；②上提钻具，上提拉力大于震击器上部钻具重力30～50 k N，使震击器回到锁紧位置，重复上述步骤即可继续向下震击。震击器下击回位时，上提钻柱时间不能过长，避免产生不必要的上击。

在油田现场作业中，机械液压式随钻震击器在钻井过程中得到成功应用。现场应用表明：该机械液压式随钻震击器与常规随钻震击器相比，1次下井随钻时间达1 800 h，减少了不必要的起下钻，降低了劳动强度和钻井成本。

5 结论

1） 机械锁紧液压式随钻震击器满足了复杂井作业的需要，降低了劳动强度和钻井成本。

2） 作为机械液压式复合随钻震击器，实现了机械部分锁紧力的井口可调。

3） 机械锁紧避免了误震操作，液压延时大幅增强了震击效果，震击解卡作业更为安全有效。

［1］ SY／T 5496—2000，震击器及加速器［S］.

［2］ 王正宽.YJ-A型随钻震击器应用分析及试验［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：61-64.

［3］ Kyllingstad A，Halsey G W.Performance Testing of Jars［C］／／SPE／IADC Drilling Conference，1990.

［4］ Thor V Aarrestad，Statoil，Kyllingstad A.Loads on Drillpipe during Jarring Operations［J］.Drilling＆Completion，1994，9（4）：271-275.

［5］ 黄衍福，邹连阳，张国田.带机械锁紧机构的液压式随钻震击器：中国，ZL 2005201 12147.6［P］.2006-08-16.

［6］ 周家齐，李兴杰，李东阳，等.随钻震击器震击载荷计算及安放位置选择［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：44-47.

Application and Analysis of Hydraulic／Mechanical Drilling Jar

LI Ji-tai
（Tuha Drilling Company，XDEC，Shanshan 838200，China）

The design，characteristics，development and oilfield application of a hydraulic／mechanical drilling jar are mainly describes.Hydraulic／mechanical drilling jar is a kind of new downhole tools，designed for directional wells，and extended reach horizontal wells，ultra-deep wells or complex wells.The jar is also appropriate for under-balanced air drilling.The jar was developed to overcome the usual shortcomings associated with purely hydraulic or mechanical jars，yet it retains the advantages of both concepts.So far，the serial hydraulic／mechanical drilling jars have been put into the industry application and field-proven design meets the requirement of modern drilling operations.

hydraulic／mechanical；drilling jar；technical performance

TE921.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.017

1001-3482（2014）07-0067-04

2014-01-18

李积泰（1966-），男，甘肃兰州人，高级工程师，主要从事石油钻井工程工作。